Biomasa lignocelulósica

Lignocelulosa se refiere a la materia seca de las plantas (biomasa), llamada biomasa lignocelulósica. Es la materia prima más abundante disponible en la Tierra para la producción de biocombustibles. Está compuesta por dos tipos de polímeros de carbohidratos, celulosa y hemicelulosa, y un polímero rico en aromáticos llamado lignina. Cualquier biomasa rica en celulosa, hemicelulosas y lignina se conoce comúnmente como biomasa lignocelulósica. Cada componente tiene un comportamiento químico distinto. Al ser un compuesto de tres componentes muy diferentes, el procesamiento de la lignocelulosa es un desafío. La resistencia desarrollada a la degradación o incluso a la separación se conoce como recalcitrancia. Superar esta recalcitrancia para producir productos útiles y de alto valor requiere una combinación de calor, productos químicos, enzimas y microorganismos. Estos polímeros que contienen carbohidratos contienen diferentes monómeros de azúcar (azúcares de seis y cinco carbonos) y están unidos covalentemente a la lignina.

La biomasa lignocelulósica puede clasificarse en general como biomasa virgen, biomasa residual y cultivos energéticos. La biomasa virgen incluye plantas. La biomasa residual se produce como subproducto de bajo valor de diversos sectores industriales, como la agricultura (rastrojo de maíz, bagazo de caña de azúcar, paja, etc.) y la silvicultura (descartes de aserraderos y fábricas de papel). Los cultivos energéticos son cultivos con un alto rendimiento de biomasa lignocelulósica producida como materia prima para la producción de biocombustibles de segunda generación; algunos ejemplos son el pasto varilla (Panicum virgatum) y el pasto elefante. Los biocombustibles generados a partir de estos cultivos energéticos son fuentes de energía sostenible.

La lignocelulosa consta de tres componentes, cada uno de ellos con propiedades que plantean desafíos para las aplicaciones comerciales.

• lignin es un akin heterogéneo de polímero altamente interrelacionado con resinas de fenol-formaldehído. Se deriva de 3-4 monómeros, cuya proporción varía de especies a especies. El cruce es extenso. Ser rico en aromática, el lignin es hidrofóbico y relativamente rígido. Lignin confiere integridad estructural a las plantas. Lignin es tan heterogénea y tan recalcitrante que su valor se mide casi exclusivamente como combustible.
• hemicellulose se compone de polisacáridos ramificados. Un problema particular es que la hemicelulosa está ligada covalentemente a la lignin, generalmente a través del componente de ácido ferulico del lignin. Esto hace difícil extraer los azúcares necesarios para la conversión a biocombustibles. Junto a la hemicelulosa celulosa es la segunda fuente más abundante de carbohidratos en una planta.
• La celulosa es un homopolímero de glucosa. Es muy poco soluble en la mayoría de los solventes, por lo que la glucosa se extrae a través de la degradación química y biológica alcanzada por enzimas celulolíticas. Esta extracción se hace más fácil por el hecho de que las hebras de celulosa están integradas, pero no covalentemente adheridas al componente de lignin-hemicellulose.

Muchos cultivos son interesantes por su capacidad de proporcionar altos rendimientos de biomasa. Algunos pueden cosecharse varias veces al año. Entre ellos se encuentran los álamos y el Miscanthus giganteus. El principal cultivo energético es la caña de azúcar, que es una fuente de sacarosa, fácilmente fermentable, y de bagazo, un subproducto lignocelulósico.

La biomasa lignocelulósica es la materia prima para la industria de la pulpa y el papel. En este proceso, la lignina y la hemicelulosa se separan típicamente del material vegetal, dejando el componente de celulosa fibrosa para ser procesado para la producción de papel, o "celulosa química". A través del proceso de pulpa, la mayor parte de la lignina se elimina y se descarga como material de desecho en forma de efluente/aguas residuales antes de ser utilizada como combustible de bajo valor para generar electricidad y calor. En principio, la demanda actual de azúcar del mundo podría satisfacerse reutilizando las fábricas de pulpa y papel para la producción de azúcar lignocelulósica, lo que la convierte en un alimento resiliente y prometedor.

La biomasa lignocelulósica, en forma de combustible de madera, tiene una larga historia como fuente de energía. Desde mediados del siglo XX, el interés por la biomasa como precursora de combustibles líquidos ha aumentado. En concreto, la fermentación de biomasa lignocelulósica para producir etanol es una ruta atractiva para obtener combustibles que complementan a los combustibles fósiles. La biomasa puede ser una fuente de energía neutra en carbono a largo plazo. Sin embargo, dependiendo de la fuente de biomasa, no será neutra en carbono a corto plazo. Por ejemplo, si la biomasa se deriva de árboles, el período de tiempo necesario para que el árbol vuelva a crecer (del orden de décadas) verá un aumento neto del dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra tras la combustión del etanol lignocelulósico. Sin embargo, si se utiliza material leñoso de residuos de cultivos anuales, el combustible podría considerarse neutro en carbono. Además del etanol, muchos otros combustibles derivados de la lignocelulosa son de interés potencial, entre ellos el butanol, el dimetilfurano y la gamma-valerolactona.

Una barrera para la producción de etanol a partir de biomasa es que los azúcares necesarios para la fermentación quedan atrapados dentro de la lignocelulosa. La lignocelulosa ha evolucionado para resistir la degradación y conferir estabilidad hidrolítica y robustez estructural a las paredes celulares de las plantas. Esta robustez o "recalcitrancia" es atribuible a la reticulación entre los polisacáridos (celulosa y hemicelulosa) y la lignina a través de enlaces éster y éter. Los enlaces éster surgen entre los azúcares oxidados, los ácidos urónicos y las funcionalidades fenoles y fenilpropanoles de la lignina. Para extraer los azúcares fermentables, primero se deben desconectar las celulosas de la lignina y luego utilizar métodos ácidos o enzimáticos para hidrolizar las celulosas recién liberadas para descomponerlas en monosacáridos simples. Otro desafío para la fermentación de biomasa es el alto porcentaje de pentosas en la hemicelulosa, como la xilosa o el azúcar de madera. A diferencia de las hexosas, como la glucosa, las pentosas son difíciles de fermentar. Los problemas que presentan las fracciones de lignina y hemicelulosa son el foco de muchas investigaciones contemporáneas.

Un amplio sector de la investigación sobre la explotación de biomasa lignocelulósica como materia prima para bioetanol se centra particularmente en el hongo Trichoderma reesei, conocido por sus capacidades celulolíticas. Se están explorando múltiples vías, incluido el diseño de un cóctel optimizado de celulasas y hemicelulasas aisladas de T. reesei, así como la mejora de cepas basada en ingeniería genética para permitir que el hongo simplemente se coloque en presencia de biomasa lignocelulósica y descomponga la materia en monómeros de D-glucosa. Los métodos de mejora de cepas han dado lugar a cepas capaces de producir significativamente más celulasas que el aislado QM6a original; se sabe que ciertas cepas industriales producen hasta 100 g de celulasa por litro de hongo, lo que permite la extracción máxima de azúcares de la biomasa lignocelulósica. Estos azúcares pueden luego fermentarse, dando lugar al bioetanol.

Algunos productos químicos pueden obtenerse a partir de la biomasa lignocelulósica. Casi todos se derivan de los azúcares obtenidos por hidrólisis del componente de celulosa.

Las biomasas lignocelulósicas se han tenido en cuenta en la producción de materiales biocompuestos como paneles de partículas, compuestos de madera y plástico y compuestos de madera de cemento/geopolímero. Aunque la producción de materiales biocompuestos depende principalmente de recursos de madera, en países con menos bosques o en países donde los recursos de madera ya están siendo sobreexplotados, es posible utilizar fuentes alternativas de biomasa como plantas invasoras, residuos agrícolas y de aserraderos para la creación de nuevos compuestos "verdes". Los biocompuestos producidos con biomasa lignocelulósica como alternativa a los materiales convencionales están atrayendo la atención porque son renovables y más baratos, pero también porque encajan perfectamente en la política de "utilización en cascada" de los recursos.